(57)【要約】      （修正有）【課題】  不規則に配向した炭素繊維が全体にわたって配分された炭素物体を製造するためのバインダーピッチを製造する組成物および方法に関する。【解決手段】  繊維の混合物およびピッチを、ピッチの粘度が約０．１〜約５ポアズである温度で攪拌することにより、炭素繊維束をピッチ中で実質的に単一のモノ−フィラメントに分散させることができる。得られた繊維ピッチバインダーは、不規則に配向した実質的に単一のモノ−フィラメントとして実質的に分散した約０．５〜約１０．０重量％の炭素繊維を含み、炭素物体、例えばグラファイト電極、ピンストックまたは特殊なグラファイト製品の製造に結合剤として直接使用できる。経済的な量の炭素繊維を使用する独特なバインダーは、得られる炭素製品の、２方向以上で強度を増加し、熱膨脹率を下げる能力を有する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチを用意する工程、
（ｂ）前記ピッチの約０．５〜約１０．０重量％の量の炭素繊維を用意する工程、および
（ｃ）前記繊維および前記ピッチを混合し、前記繊維を繊維ピッチバインダー中に分散させる工程
を含んでなる、繊維ピッチバインダーの製造方法。
【請求項２】
工程（ａ）が、温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチを用意することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ｃ）で、前記繊維が、前記繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントに実質的に分散される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
工程（ｂ）が、前記ピッチの約５重量％の量の炭素繊維を用意することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｂ）が、ある量の、長さ約６〜約３０ｍｍの炭素繊維を用意することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）が、ある量の、サイジング剤を含む炭素繊維を用意することを含んでなる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｂ）で、前記繊維が前記ピッチに、実質的な量の充填材無しに加えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
工程（ａ）が、ある量の、コールタールに由来するピッチを用意することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
工程（ａ）が、ある量の、石油原料に由来するピッチを用意することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
工程（ｃ）が、前記繊維および前記ピッチを、前記ピッチの粘度が約５ポアズ未満になる温度に加熱し、続いて約１００〜約１０００ｒｐｍで、前記繊維が、前記繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントに実質的に分散されるように、十分な時間攪拌することにより、前記繊維および前記ピッチを混合することを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
工程（ｃ）が実質的に完了した時、前記繊維ピッチバインダーが、軟化点約９０℃〜約２００℃、ＭＣＣ価約５０〜約７５％、および約１６０℃における粘度約１〜約５０ポアズを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
（ａ）粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチを用意する工程、
（ｂ）ある量の炭素繊維を用意する工程、および
（ｃ）前記繊維および前記ピッチを混合し、前記繊維が、繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントに分散するように、前記繊維を繊維ピッチバインダー中に均質に分散させる工程
を含んでなる、繊維ピッチバインダーの製造方法。
【請求項１３】
工程（ｂ）が、前記ピッチの約５重量％の量の炭素繊維を用意することを含んでなる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
工程（ｂ）で、前記繊維が前記ピッチに、大量の充填材無しに加えられる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチと、前記ピッチの重量に対して０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして前記ピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維との混合物を含んでなるピッチ系バインダー。
【請求項１６】
前記混合物が、軟化点約９０℃〜約２００℃、ＭＣＣ価約５０〜約７５％、および約１６０℃における粘度約１〜約５０ポアズを有する、請求項１５に記載のピッチ系バインダー。
【請求項１７】
前記混合物が、前記ピッチと実質的に同等のレオロジー的挙動を有する、請求項１５に記載のピッチ系バインダー。
【請求項１８】
（ａ）温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチ、および前記ピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして前記ピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを用意する工程、
（ｂ）充填材を用意する工程、
（ｃ）不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして実質的に均質に分散した前記炭素繊維を有するバインダーを前記充填材と混合し、バインダー−充填材混合物を製造する工程、
（ｄ）前記バインダー−充填材混合物を成形し、ある成形物体を形成する工程、および  （ｅ）前記成形物体を炭化させ、炭素物体を形成する工程
を含んでなる、炭素物体を形成する方法。
【請求項１９】
工程（ａ）が、軟化点約９０℃〜約２００℃、ＭＣＣ価約５０〜約７５％、および約１６０℃における粘度約１〜約５０ポアズを有するバインダーを用意することを含んでなる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
工程（ａ）で、前記ピッチがコールタールに由来する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
工程（ａ）で、前記ピッチが石油タールに由来する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
炭素繊維が、炭素物体中に実質的に単一モノ−フィラメントとして実質的に均質に分散した炭素物体であって、前記炭素繊維が、前記炭素物体の重量に対して約１．５〜約３．０重量％の量で存在する、炭素物体。
【請求項２３】
熱膨脹率が小さいグラファイト物体の製造方法であって、
（ａ）温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチ、および前記ピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして前記ピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを用意する工程、
（ｂ）充填材を用意する工程、
（ｃ）前記バインダーおよび前記充填材を混合し、全体的に不規則に配向した炭素繊維が実質的に均質に分散したバインダー−充填材混合物を製造する工程、
（ｄ）前記バインダー−充填材混合物を押出加工して炭素物体を形成する工程、
（ｅ）前記炭素物体を炭化させる工程、および
（ｆ）前記炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を形成する工程
を含んでなる、方法。
【請求項２４】
工程（ｆ）が、前記炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を形成することを含んでなり、前記グラファイト物体が、実質的に単一モノ−フィラメントとして前記グラファイト物体全体にわたって実質的に分散した炭素繊維を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
工程（ｆ）が、前記炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を形成することを含んでなり、前記グラファイト物体が、前記グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の、実質的に単一モノ−フィラメントとして前記グラファイト物体中に実質的に均質に分散した炭素繊維を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
実質的に単一モノ−フィラメントとしてグラファイト物体中に実質的に均質に分散した炭素繊維を有するグラファイト物体であって、前記炭素繊維が前記グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の量で存在する、グラファイト物体。
【請求項２７】
縦方向熱膨脹率が約２５〜約２００℃で測定して約−０．５ｘ１０−６／℃〜約０．１０ｘ１０−６／℃であるグラファイト物体。
【請求項２８】
実質的に単一モノ−フィラメントとしてグラファイト物体中に実質的に均質に分散した炭素繊維を有するグラファイト物体であって、前記炭素繊維が、前記グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％の量で存在するグラファイト物体。
【請求項２９】
（ａ）ピッチ、および前記ピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして前記ピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを用意し、
（ｂ）充填材を用意し、
（ｃ）前記バインダーおよび前記充填材を混合し、全体的に不規則に配向した炭素繊維が実質的に均質に分散したバインダー−充填材混合物を製造し、
（ｄ）前記バインダー−充填材混合物を押出加工して炭素物体を形成し、
（ｅ）前記炭素物体を炭化させ、
（ｆ）前記炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を製造し、前記グラファイト物体が、前記グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の炭素繊維を有し、前記繊維が、実質的に単一モノ−フィラメントとして前記グラファイト物体全体にわたって分散している、方法により製造されるグラファイト物体。
【請求項３０】
（ａ）温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチ、および前記ピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして前記ピッチ中に実質的に均質に分散している炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを、コークス充填材と混合してバインダー−充填材混合物を形成し、
（ｂ）前記バインダー−充填材混合物を押出加工して炭素物体を形成し、
（ｃ）前記炭素物体を炭化させ、
（ｄ）前記炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を製造し、前記グラファイト物体が、前記グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の炭素繊維有し、前記繊維が、実質的に単一モノ−フィラメントとして前記グラファイト物体全体にわたって分散している、方法により製造されるグラファイト物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ここにその開示を参考として含める「炭素繊維バインダーピッチ」と題する２００２年２月１１日提出の同日出願第１０／０７３，７２０号の継続(continuation-in-part)である。
【０００２】
本発明は、不規則に配向した炭素繊維が全体にわたって配分された炭素物体を製造するためのバインダーピッチを製造する組成物および方法に関する。本発明の新規なバインダーピッチを使用して製造されるグラファイト物体は、好ましいことに、従来製造されるグラファイト物体よりも低い横方向および縦方向熱膨脹率を有する。
【背景技術】
【０００３】
充填材としての炭素繊維を、バインダーとしてのピッチと共に使用することは、熱膨脹率（ＣＴＥ）が低い炭素物体、例えばグラファイト電極、を製造する技術では良く知られている。典型的には、ＣＴＥが低い炭素物体は、配向した針状コークスを熱可塑性炭化バインダー、例えばコールタールピッチ、と混合し、得られた混合物を所望の形状に押出または成形し、次いでその物体を炭化およびグラファイト化することにより製造される。このようにして製造される炭素物体は低いＣＴＥを有するが、これらの製品の、使用する高温環境における性能を改良するためにＣＴＥをさらに下げる手段が常に求められている。
【０００４】
特許文献１には、メソフェーズピッチから製造された配向繊維５０％〜８０％および熱可塑性の炭化し得るバインダー２０％〜５０％を使用して製造された押出加工された炭素製品が開示されている。得られる炭素製品は、縦方向（粒子に従う）熱膨脹率が低い。
【０００５】
特許文献２には、電極ピンストックを製造するための、コークスとピッチの混合物にメソフェーズピッチを加えたものから得られる炭素繊維を使用するグラファイト電極ニップルの製造方法が開示されている。この発明は、メソフェーズピッチ系の炭素繊維８〜２０％を、プレミアムコークス６５％およびバインダー２２〜２８％に加えて押出ブレンドを形成し、押し出してピンストック加工品を形成している。縦方向ＣＴＥの低下を達成するには、炭素繊維を高度に整列させる必要があると考えられる。しかし、好ましくない横方向（粒子に反する）ＣＴＥが増加し、強度が低くなると思われる。高い横方向ＣＴＥの好ましくない影響は、縦方向ＣＴＥが非常に低い（−１．５ｘ１０−６／℃）が、横方向ＣＴＥが非常に高い（約５〜８ｘ１０−６／℃）炭素繊維により生じる。
【０００６】
横および縦横方向の両方で低いＣＴＥを得る上で大きな障害の一つは、押出前の電極混合物で繊維を均質に分散させることができないことである。一般的に、繊維を電極混合物に加える時、繊維の長さは、最大コークス充填材粒子の長さ（約１インチ）以下であるのが好ましい。そのような製品を達成するには、炭素繊維を一般的にサイジング材料を使用して固め、次いで小さな束に切断する。各束は、約２０，０００本までのモノ−フィラメントを含むことができる。これらの繊維束を、コークスおよびピッチを含むか、またはピッチを加える前にコークスと予備混合した電極混合物に加える時、束を均質に配分し、個々のモノ−フィラメントにすることは事実上不可能である。電極成分と混合する時、繊維が集まってボールまたは固まりになる。図１は、通常の様式で繊維束を加え、混合したコークス充填材とピッチの典型的な電極混合物の、倍率２００Ｘにおける断面顕微鏡写真である。繊維１０は、小さな明るい色の長円形状として示され、コークス粒子２５と共にピッチ１５の背景で凝集している。これらの凝集繊維は、形成された電極中で構造を悪化させ、所望の特性改良を達成するには大量の繊維が必要になる。
【０００７】
先行技術の問題点および欠点を考え、本発明の目的は、炭素繊維を使用し、炭素物体、特にグラファイト電極、における縦方向ＣＴＥのみならず、横方向ＣＴＥも減少させる方法を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、ピッチバインダー中に炭素繊維を、繊維が不規則に配向し、得られるグラファイト電極における横方向および縦方向の両方のＣＴＥが低下するように、分散させる方法を提供することである。
【０００９】
本発明のもう一つの目的は、最小量の炭素繊維を使用し、上記の望ましい効果を達成する方法を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、低い熱膨脹率を有する炭素物体を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、縦方向ＣＴＥが低く、横方向ＣＴＥも低いグラファイト電極を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的および利点は、部分的に明白であり、部分的に本明細書から明らかになる。
【特許文献１】英国特許第１，５２６，８０９号明細書（Singer ら）
【特許文献２】米国特許第４，９９８，７０９号明細書（Griffin ら）
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、第一の態様で、（ａ）粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチを用意する工程、（ｂ）ピッチの約０．５〜約１０．０重量％の量の炭素繊維を用意する工程、および（ｃ）繊維およびピッチを混合し、繊維を繊維ピッチバインダー中に分散させる工程を含んでなる、繊維ピッチバインダーの製造方法に関する。好ましくは、工程（ａ）は、温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチを用意することを含んでなる。好ましくは、工程（ｃ）で、繊維を、繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントに実質的に分散させる。好ましくは、工程（ｃ）は、繊維およびピッチを、ピッチの粘度が約５ポアズ未満になる温度に加熱し、続いて約１００〜約１０００ｒｐｍで、繊維が、繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントに実質的に分散されるように、十分な時間攪拌することにより、繊維およびピッチを混合することを含んでなる。工程（ｃ）が実質的に完了すると、繊維ピッチバインダーは、軟化点約９０℃〜約２００℃、変性コンラッドソン炭素（ＭＣＣ）価約５０〜約７５％、および約１６０℃における粘度約１〜約５０ポアズを有する。
【００１４】
さらに別の態様で、本発明は、（ａ）粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチを用意する工程、（ｂ）ある量の炭素繊維を用意する工程、および（ｃ）繊維およびピッチを混合し、繊維が、繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントに実質的に分散するように、繊維を繊維ピッチバインダー中に均質に分散させる工程を含んでなる、繊維ピッチバインダーの製造方法に関する。
【００１５】
さらに別の態様で、本発明は、温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチと、ピッチの重量に対して０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとしてピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維との混合物を含んでなるピッチ系バインダーに関する。得られた混合物は、軟化点約９０℃〜約２００℃、ＭＣＣ価約５０〜約７５％、および約１６０℃における粘度約１〜約５０ポアズを有する。好ましくは、混合物は、温度による粘度変化率に関して、出発材料ピッチと実質的に同等のレオロジー的挙動を有する。
【００１６】
別の態様で、本発明は、（ａ）温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチ、およびピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとしてピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを用意する工程、（ｂ）充填材を用意する工程、（ｃ）実質的に単一モノ−フィラメントとして実質的に均質に分散した炭素繊維を有するバインダーおよび充填材を混合し、バインダー−充填材混合物を製造する工程、（ｄ）バインダー−充填材混合物を成形し、ある成形物体を形成する工程、および（ｅ）成形物体を炭化させ、炭素物体を形成する工程を含んでなる、炭素物体を形成する方法に関する。好ましくは、工程（ａ）は、軟化点約９０℃〜約２００℃、ＭＣＣ価約５０〜約７５％、および約１６０℃における粘度約１〜約５０ポアズを有するバインダーを用意することを含んでなる。
【００１７】
さらに別の態様で、本発明は、炭素繊維が、炭素物体中に実質的に単一モノ−フィラメントとして実質的に均質に分散した炭素物体であって、炭素繊維が、炭素物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の量で存在する炭素物体に関する。
【００１８】
さらに別の態様で、本発明は、熱膨脹率が小さいグラファイト物体の製造方法であって、（ａ）温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチ、およびピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとしてピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを用意する工程、（ｂ）充填材を用意する工程、（ｃ）バインダーおよび充填材を混合し、全体的に不規則に配向した炭素繊維が実質的に均質に分散したバインダー−充填材混合物を製造する工程、（ｄ）バインダー−充填材混合物を成形し、炭素物体を形成する工程、（ｅ）炭素物体を炭化させる工程、および（ｆ）炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を形成する工程を含んでなる、方法に関する。好ましくは、工程（ｆ）は、炭素物体をグラファイト化し、グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％の、実質的に単一モノ−フィラメントとしてグラファイト物体全体にわたって実質的に分散した炭素繊維を有するグラファイト物体を形成する。
【００１９】
さらに別の態様で、本発明は、実質的に単一モノ−フィラメントとして炭素物体中に実質的に均質に分散した炭素繊維を有するグラファイト物体であって、炭素繊維がグラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の量で存在するグラファイト物体に関する。
【００２０】
さらに別の態様で、本発明は、縦方向熱膨脹率が約２５〜約２００℃で測定して約−０．５ｘ１０−６／℃〜約０．２ｘ１０−６／℃であるグラファイト物体に関する。
【００２１】
さらに別の態様で、本発明は、実質的に単一モノ−フィラメントとしてグラファイト物体中に実質的に均質に分散した炭素繊維を有するグラファイト物体に関し、該炭素繊維は該グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％の量で存在する。
【００２２】
さらに別の態様で、本発明は、（ａ）ピッチ、および該ピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして該ピッチ中に実質的に均質に分散した炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを用意し、（ｂ）充填材を用意し、（ｃ）該バインダーおよび該充填材を混合し、全体的に不規則に配向した炭素繊維が実質的に均質に分散したバインダー−充填材混合物を製造し、（ｄ）該バインダー−充填材混合物を押出加工して炭素物体を形成し、（ｅ）該炭素物体を炭化させ、（ｆ）該炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を製造し、該グラファイト物体が、該グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の炭素繊維を有し、該繊維が、実質的に単一モノ−フィラメントとして該グラファイト物体全体にわたって分散している、方法により製造されるグラファイト物体に関する。
【００２３】
最後の態様で、本発明は、（ａ）温度約２６０〜約１４０℃で粘度約０．１〜約５ポアズを有するピッチ、および該ピッチの重量に対して約０．５〜約１０．０重量％の、不規則に配向した実質的に単一モノ−フィラメントとして該ピッチ中に実質的に均質に分散している炭素繊維の混合物を含んでなるバインダーを、コークス充填材と混合してバインダー−充填材混合物を形成し、（ｂ）該バインダー−充填材混合物を押出加工して炭素物体を形成し、（ｃ）該炭素物体を炭化させ、（ｄ）該炭素物体をグラファイト化してグラファイト物体を製造し、該グラファイト物体が、該グラファイト物体の重量に対して約１．５重量％〜約３．０重量％の量の炭素繊維を有し、該繊維が、実質的に単一モノ−フィラメントとして該グラファイト物体全体にわたって分散している、方法により製造されるグラファイト物体に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
炭素繊維をピッチバインダー中に、ピッチが温度約２６０℃〜約１４０℃の、好ましくは約５ポアズ未満、より好ましくは約０．１ポアズの粘度を有する温度で混合することにより、サイジング剤を含むか、または含まない繊維束を炭素物体中で実質的に単一のモノ−フィラメントに分散させることができることが分かった。本発明により、少なくとも約０．５重量％〜約１０重量％までの、ピッチ中で不規則に配向した炭素繊維（ピッチの重量に対して）を、約２５〜約２００℃で測定して縦方向ＣＴＥ約−０．５ｘ１０−６／℃〜０．１４ｘ１０−６／℃未満を有する炭素物体中で繊維を均質に配分するための繊維ピッチバインダーとして製造することができる。縦方向ＣＴＥは、約０．１〜約０．５ｘ１０−６／℃単位の絶対値で低下する。そのような経済的な量の炭素繊維を使用することにより、予期せぬことに、不規則に配向した繊維が実質的に単一のモノ−フィラメントとして繊維ピッチバインダー全体にわたって均質に配分される。
【００２５】
得られた繊維ピッチバインダーは、適当な充填材と共にバインダーとして使用し、実質的に単一のモノ−フィラメントが全体にわたって分散し、繊維により縦方向および横方向熱膨脹率が低下した炭素物体を押出加工または成形することができる。さらに、繊維ピッチバインダーは、粘度に対する温度の影響に関して、前駆物質ピッチの粘度と同等の粘度を示すので、繊維ピッチバインダーの製造に既存の装置を使用することができる。
【００２６】
本発明で使用する炭素繊維は、炭素質出発材料、例えばメソフェーズピッチ、等方性ピッチ、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、およびレーヨン、から製造することができる。本発明で有用な炭素繊維は、様々な直径および長さを有することができる。好ましくは、繊維の直径は約５μｍ〜約３０μｍである。繊維は、約５ｍｍ〜約４０ｍｍの都合の良い長さに切断することができる。好ましくは、グラファイト化後の炭素繊維は、引張強度が約１００，０００ｐｓｉを超え、最も好ましくは約３００，０００ｐｓｉを超える。
【００２７】
前駆物質ピッチは、石油または石炭タールに由来するものでよく、繊維と混合する前に約１８％までの天然Ｑ．Ｉ．粒子を含むことができる。Ｑ．Ｉ．粒子とは、特定ピッチ中の、７５℃におけるキノリン抽出により測定する、キノリンに不溶な粒子の百分率を意味する。石油および石炭タールに由来するピッチが、本発明を実施するのに好ましい。他のピッチも意図しているが、温度約２６０℃〜約１４０℃で約０．１〜約５ポアズの粘度を有するピッチが好ましい。この好ましい粘度で、繊維束は、ピッチ中で不規則に配向したモノ−フィラメントに分散することができる。
【００２８】
本発明により、典型的には束で入手でき、繊維直径が約７μｍ〜約１２μｍである炭素繊維が、サイジング剤を使用して、または使用せずに得られる。繊維束は、長さ約６ｍｍ〜約３０ｍｍの小さな束に切断し、従来のパドルブレード攪拌機を使用してピッチと混合する。最も好ましくは、前駆物質ピッチは、粘度が温度約２６０℃〜約１４０℃で約０．１〜約３ポアズである。混合は、繊維および前駆物質ピッチを、前駆物質ピッチの粘度が約５ポアズ未満になる温度に加熱し、続いて繊維が、繊維ピッチバインダー中で不規則に配向した実質的に単一のモノ−フィラメントに実質的に分散するのに十分な時間、例えば約１０〜約１２０分間、約１００〜約１０００ｒｐｍで攪拌することにより、行う。得られた繊維ピッチバインダーは、不規則に配向した炭素繊維が実質的に均質に分散している。予期せぬことに、少量の繊維を使用しながら、低い縦方向および横方向ＣＴＥ、高い強度および優れた破壊靱性のような優位性を与えるのは、実質的に単一のモノ−フィラメントとして分散した炭素繊維のこの不規則な配向である。
【００２９】
好ましい実施態様では、メソフェーズピッチに由来する炭素繊維は、Amoco CorporationtoからGPX（商品名）として入手した。これらの繊維は、サイジングしてない状態で入手し、約1/4”束に切断した。これらの繊維を、約０％Ｑ．Ｉ．固体を含み、初期軟化点（ＳＰ）が約１１３℃であり、ＭＣＣ価が約４９．３％である、石油に由来する前駆物質ピッチに加えた。繊維約１５ｇおよびピッチ約３００ｇの混合物（繊維はピッチ重量の約５重量％で存在）を樹脂フラスコ中で約２５５℃に加熱した。起こり得る酸化を防止するために不活性ガス雰囲気を維持した。次いで、従来のパドルブレード攪拌機を使用して混合物を約１０００ｒｐｍで約２時間攪拌した。繊維ピッチバインダーが約１５０℃に冷却されるまで攪拌を維持した。
【００３０】
得られた繊維ピッチバインダーは、ＳＰが約１１８℃、ＭＣＣ価が約５１．６％であった。この繊維ピッチバインダーに対する粘度と温度の関係のデータを前駆物質ピッチと比較したが、両方の材料に対するレオロジー的挙動は同等であった。繊維ピッチバインダーのデータは、長方形データ点で示され、前駆物質ピッチは正方形データ点で示す。繊維ピッチバインダーの絶対粘度は増加したが、２つの系に対する粘度の温度依存性は同等である。繊維ピッチバインダーは、前駆物質ピッチと同じ装置を使用し、小さな限定された温度調節だけで、炭素物体を押出加工するためのバインダーとして使用できる。次いで、光学顕微鏡を使用して繊維ピッチバインダーを検査したが、それによって実質的に単一のモノ−フィラメントとして分散していることが確認された。
【００３１】
別の好ましい実施態様では、同じAmoco GPX（商品名）繊維を、約５重量％の、コールタール前駆物質ピッチを含んでなり、ＳＰが約１１２°であり、ＭＣＣ価が約６０％であり、約１２％のＱ．Ｉ．を有するピッチと混合した。混合は、約２５５℃で約２時間行った。得られた繊維ピッチバインダーは、ＳＰが約１１７℃、ＭＣＣ価が約６２％であった。顕微鏡検査により、繊維束は、ピッチ全体にわたって実質的に単一のモノ−フィラメントとして均質に分散していることが分かった。
【００３２】
さらに別の好ましい実施態様では、メソフェーズピッチバルク繊維を、Mitsubishi Chemical Co.から長さ６〜７ｍｍの圧縮された、約３％のポリアミドサイジング剤を含む束の形態で入手した。これらの繊維を、ピッチの約５重量％の量でコールタールピッチと混合した。混合後、得られた繊維ピッチバインダーは、ＳＰが約１１５℃、ＭＣＣ価が約６３％であった。この材料の顕微鏡検査により、やはり束が、不規則な配向で個別モノ−フィラメントに均質に分散していることが分かった。重合体サイジング剤が本製法を妨害していないことは明白である。
【００３３】
ピッチの酸化および揮発を回避するために、繊維は前駆物質ピッチとできるだけ低い温度で混合することが望ましい。約５重量％のAmoco GPX（商品名）繊維を上記の石油ピッチと共に含む繊維ピッチバインダーを、幾つかの異なった温度で製造した。使用した温度およびその温度で測定した前駆物質ピッチの粘度を表Ｉに示す。すべてのバインダーを光学顕微鏡で検査し、それぞれの場合に繊維の分散は実質的に均質であると判定された。最も好ましくは低い温度、約１７５℃未満でのみ、幾つかの小さな繊維の固まりが確認された。従って、混合工程は、本来のピッチが少なくとも２ポアズまで高い粘度を有する温度で行えることは明らかである。さらに、これらの温度におけるピッチの酸化は非常に低いので、混合は大気中で行うことができる。
表Ｉ
異なった温度における繊維約５重量％と石油系ピッチの混合
試験番号            温度（℃）              粘度（ポアズ）
１                ２２５                    ０．２２５
２                ２００                    ０．６０
３                １７５                    ２．１５
【００３４】
さらに別の好ましい実施態様では、約５重量％の炭素繊維を有する上記の繊維ピッチバインダーをバインダーとして使用し、直径４４ｍｍのグラファイト化されたピンストックを製造した。これらのバインダーは、約２４重量％の量で、約１６０℃で典型的なコークス粒子／粉末混合物と混合し、約１１０℃で押し出し、未焼成電極ピンストックを製造した。混合物温度、押出温度、および押出圧はすべて、繊維を含まないバインダーピッチで製造する標準的なピンストック混合物に使用する条件と同じであった。押出加工した電極ピンストックを標準条件下で炭化およびグラファイト化し、約１．５重量％の繊維を有するグラファイト電極ピンストックを製造した。これらの電極ピンストックの顕微鏡検査により、繊維が十分に分散し、電極ピンストックの構造は優れていると判定された。繊維ピッチバインダーから製造された電極ピッチは、典型的な電極ピンストックと比較して、約２５％〜約６０％のＣＴＥ低下ならびに改良された強度を示した。炭素繊維の、配合により、繊維石油ピッチバインダーおよび同じコークス充填材を使用して製造した電極ピンストックは、縦方向ＣＴＥが約０．０５７ｘ１０−６／℃であった。繊維コールタールピッチバインダーおよび同じコークス充填材を使用する電極ピンストックは、縦方向ＣＴＥが約０．１０４ｘ１０−６／℃であった。
【００３５】
本発明により、上記の目的が達成される。炭素繊維を前駆物質ピッチと、ピッチの粘度が約５ポアズ未満である温度で混合することにより、本発明は、最小量の、ピッチの約０．５〜約１０．０重量％の繊維を使用し、繊維を実質的に単一のモノ−フィラメントとして均質に分散させる。炭素繊維ピッチは、熱膨脹率低下および強度増加を示すグラファイト電極用のバインダーとして使用できる。バインダーはコークスと約２０〜約３０重量％で混合し、電極を形成するので、電極中に使用する繊維の総量は、電極重量に対して約３重量％未満であり、経済的でコスト的に有効な量である。
【００３６】
本発明を特に具体的な好ましい実施態様に関連して説明したが、上記の説明から当業者には多くの代替案、修正および変形が明らかである。従って、そのような代替案、修正および変形はすべて、本発明の真の範囲および精神に入るものとして、付随の請求項に含まれる。